高功率因數的大功率開(kāi)關(guān)電鍍電源研究

1·引言

傳統電鍍電解直流電源采用晶閘管相控整流模式，導致電網(wǎng)側諧波大、功率因數低?，F代電鍍電解開(kāi)關(guān)電源采用二極管整流-IGBT逆變橋-高頻變壓器耦合-低壓整流的拓撲結構，具有體積小、效率高、直流電壓紋波小的優(yōu)點(diǎn)，但直流母線(xiàn)采用大電容濾波，同樣會(huì )導致網(wǎng)側電流畸變、功率因數降低。鑒于電鍍電源要求輸出直流低電壓和大電流，設計的電源采用電壓空間矢量控制三相PWM整流器，從而實(shí)現了功率因數校正。采用IGBT全橋逆變，高頻變壓器耦合輸出，最后通過(guò)倍頻整流和LC濾波，使直流輸出電壓的質(zhì)量和裝置能量密度顯著(zhù)提高。

文中介紹的電鍍用開(kāi)關(guān)電源，其滿(mǎn)載輸出功率為60kW，輸出電壓為12V，輸出電流為5kA，且連續可調。通過(guò)采用三相PWM整流技術(shù)控制相電流實(shí)現正弦波。理論分析、仿真及實(shí)驗表明，該電路實(shí)現了輸入電流的高功率因數整流和低電流畸變，有效抑制電鍍電源的網(wǎng)側電流諧波。同時(shí)采用全橋零電壓軟開(kāi)關(guān)控制方式，有效減少了功率損耗。

2·主電路拓撲結構

鑒于大功率的輸出，高頻逆變部分采用以IGBT為功率開(kāi)關(guān)器件的全橋拓撲結構。

圖1示出電源主電路，包括：工頻三相交流電輸入、整流橋、濾波電感電容、高頻全橋逆變器、高頻變壓器、輸出整流環(huán)節、輸出LC濾波器等。其中，C1為小電容，用于濾除尖峰脈沖帶來(lái)的毛刺；C2為大容量電容；VTi（i=1～4）構成全橋逆變器；Cz為防止變壓器發(fā)生磁偏的隔直電容。

盡管目前廣泛采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)現大功率開(kāi)關(guān)電鍍電源的設計方案比以前晶閘管相控整流方式效果更佳，但仍存在損耗大、功率因數低以及諧波等問(wèn)題，故三相功率因數校正成為研究熱點(diǎn)。為此，在設計中增加了功率因數校正環(huán)節，從而有效地提高了電源的功率因數和效率。

3·三相PWM高功率因數整流環(huán)節

三相PWM高頻整流電路的主要原理是通過(guò)對PWM整流電路的適當控制，使輸入電流非常接近于正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數近似為1，因此，該整流電路可稱(chēng)為高功率因數整流器。圖2示出基于三相PFC的電鍍電源系統框圖，其中前級為三相PFC及其控制電路。

3.1整流環(huán)節電路拓撲

圖3示出三相PWM高頻整流拓撲，整流主電路由6個(gè)IGBT與快速恢復二極管構成，系統中的電流方向如圖所示。

設三相對稱(chēng)，定義開(kāi)關(guān)函數：當Sg=1（Sg*=0）時(shí)，上橋臂開(kāi)關(guān)管導通，下橋臂開(kāi)關(guān)管截止；而當Sg=1（Sg*=0）時(shí)，開(kāi)關(guān)管導通情況相反，其中g(shù)=a，b，c。

3.2電壓空間矢量原理

三相PWM整流器采用電壓空間矢量控制，定義三相電壓型PWM整流器網(wǎng)側輸入電壓矢量為：

根據三相PWM整流器開(kāi)關(guān)信號S的定義，整流器有8種導通模式，對應的空間電壓矢量：U0（000），U1（100），U2（110），U3（010），U4（011），U5（001），U6（101），U7（111），其中U1～U6為6個(gè)非零有效矢量，U0和U7為兩個(gè)零矢量。在一個(gè)電流采樣周期內，開(kāi)關(guān)管的導通總是以零矢量開(kāi)始并以零矢量結束。用6個(gè)非零矢量和兩個(gè)零矢量去逼近電壓圓，整流器三相橋輸入端會(huì )得到等效的三相正弦波波形?？捎脙蓚€(gè)相鄰非零矢量和兩個(gè)零矢量去逼近任一空間電壓矢量，從而三相橋輸入為等效正弦波。因此，在系統運行的一個(gè)電網(wǎng)周期內，可以在空間中形象地用6個(gè)區域來(lái)劃分電網(wǎng)空間電壓矢量所在的位置：Ⅰ區θ=0～π/3；Ⅱ區θ=π/3～2π/3；Ⅲ區θ=2π/3～π；Ⅳ區θ=π～4π/3；Ⅴ區θ=4π/3～5π/3；Ⅵ區θ=5π/3～2π。

按上述定義對電壓空間矢量進(jìn)行合理分配，控制好零矢量的作用時(shí)間，形成等幅不等寬的PWM脈沖波，最終實(shí)現追蹤磁通的圓形軌跡，即實(shí)現SVPWM控制。因為直流側電壓Udc與整流器輸入電流im（m=a，b，c）互相影響，使控制變得困難，因此提出了很多不同的控制方法。在采用電壓SVPWM控制系統中，根據文獻采用直接計算合成參考電壓的方法，定義空間矢量如下：